砂卵石地層盾構施工引發的滯后地面塌陷機理

白永學，漆泰岳，吳占瑞

（西南交通大學 土木工程學院，成都 610031）

隨著經濟快速發展，為了緩解交通擁擠問題，許多大城市開始籌劃和修建地鐵工程。在此期間，盾構施工產生了很多地面塌陷事故［1－3］。地鐵線路多位于城市道路和居民區地下，地面塌陷事故發生突然、危害性大，因此引起了社會的廣泛關注。

李希元［4］通過調查分析上海、廣州、北京等地25起盾構隧道施工事故發現，地面塌陷占事故總量的60%。地面塌陷是指巖土體在自然或人為因素作用下，向下陷落，并在地表形成塌陷坑的一種地質現象［5］。目前，對巖溶塌陷和采空區地面塌陷的研究文獻較多［6－8］，研究的內容也比較深入，而針對盾構施工引發的地面塌陷研究較少，文獻［9－11］對部分盾構施工引起的地面塌陷原因和形成過程進行了分析，而對盾構施工引起地面塌陷機理的研究則更少。

各大城市隧道施工引起地面塌陷事故頻繁發生，主要原因在于沒有從本質上認識城市隧道施工過程中地面塌陷事故的誘發因素、形成機制和演化規律［12］，這已成為盾構施工所面臨的重要技術難題。砂卵石地層中盾構掘進的經驗和理論尚不成熟，筆者主要研究砂卵石層地面塌陷的演變機理。

1 成都砂卵石地層盾構施工概況

1.1 地質條件

成都平原地處川西平原岷江水系東南面，為侵蝕 堆積階地地貌，地勢平坦。地表多人工填筑（Q4ml）雜填土，厚度1～3m；其下主要為砂卵石土，卵石土大部分為全新統沖積層（Q4al）和上更新統沖洪積層（Q3al＋pl）；基巖為泥巖，埋深較深。砂卵石層主要地質特征為：

1）卵石含量高，含量在50%～85%之間，粒徑以20～100mm為主，充填物主要為細砂和中砂。

2）卵石粒徑大，個別粒徑達到1m以上；卵石層中分布漂石，主要位于在Q3地層中，含量大致為10%～15%。

3）卵石抗壓強度高，普遍在55～165MPa之間。

4）卵石層中含砂量高（大致為20%～40%），而含泥量較少，屬于無黏性顆粒土。

5）卵石層中隨機分布透鏡狀砂層和粉土，力學性質低，厚度可達2～3m。

地下水主要為卵石層中的孔隙潛水，含水豐富，滲透系數為15～40m／d，為強透水層。在天然狀態下，枯水期地下水位埋深3.0～6.0m，洪水期地下水位埋深2.5～4.0m，地下水位年變化幅度為1.0～3.0m。

1.2 盾構施工方法

根據成都砂卵石層的地質情況，地鐵1、2號線采用加泥式土壓平衡盾構施工［13］。砂卵石地層顆粒粒徑大，顆粒之間的摩擦系數高，刀盤切削下來的土體流動性差，密封艙內的碴土很難通過螺旋輸送機排出；另外，切削下來的土體松散，滲透系數高，止水效果差，地下水滲透力對開挖面的穩定性不利；因此，必須對土艙內的土體進行渣土改良。添加材料一般采用由粘土、膨潤土及發泡劑等材料制成的泥漿液，泥漿液能有效增加艙內土體的流動性和止水性；另外，高密度膨潤土有較好的粘結性，并能滲入礫質碴土的孔隙中，從而實現止水和固結掌子面的作用，對強透水性的砂卵石土中使用膨潤土的意義重大。

為了實現碴土的改良，加泥式土壓平衡盾構機配有2套碴土改良系統：泡沫注入系統和膨潤土注入系統。通過雙活塞泵將泥漿和泡沫壓入刀盤前端和土艙內，注入系統管路示意圖如圖1所示。

圖1 膨潤土管路示意圖

改良渣土充滿密封艙后，在盾構頂推力的作用下，可使切削土對開挖面形成被動土壓力，從而與開挖面上的水土壓力相平衡，以保持開挖面的穩定。另外，為了進一步保證開挖面的穩定性，減小地下水對開挖面的影響，氣壓輔助工法成為施工中必備輔助措施。

1.3 地面塌陷現狀

成都修建地鐵1號線時，僅人民路上就發生過數十次地面塌陷，嚴重影響城市居民的生產和生活，造成一定的不良社會影響。

砂卵石地層地面塌陷的特點主要為滯后性和突發性。通常地層內的空洞幾個月甚至幾年后才波及到地面，表現為一定的滯后性；其次，當空洞波及到地面時，在外界荷載作用下，土體自穩能力急劇降低，往往地面塌陷事先沒有征兆，表現為突發性。另外，地面塌陷的塌坑體積較大，塌坑深度有時會超過塌坑寬度，因此危害性較大。

對成都地鐵1號線地面塌陷的實例調查發現，絕大部分塌陷位于盾構正上方，塌坑的形狀為壇子狀，上口小，下面大；主要因為路面有一定的承載能力，且地表土具有弱粘聚力；這和采礦塌陷形成的塌陷漏斗形狀相似［5］。

2 砂卵石地層突發地面塌陷的形成機理

砂卵石地層盾構施工引發的突發地面塌陷主要包括3個方面：盾構開挖面失穩、開挖面失穩超出土形成空洞和空洞向地表移動。

2.1 開挖面失穩

盾構掘進開挖面失穩主要由于支護壓力不足引起，合理的開挖面支護壓力主要取決于地質情況、盾構埋深、盾構直徑、地下水位等［14］。當開挖面的支護壓力小于極限支護壓力時，開挖面前方土體將形成一定范圍的滑動區域，開挖面也隨之產生失穩。開挖面失穩主要包括整體失穩和局部失穩2種情況，當盾構前方土體松散且埋深較淺時，開挖面表現出整體失穩，如圖2（a）；當盾構埋深較深且土層相對穩定時，開挖面表現出局部失穩，如圖2（b）。

圖2 盾構開挖面失穩模式

2.2 開挖面失穩后形成空洞

在砂卵石地層中，盾構滿艙掘進容易使壓力艙土體閉塞、渣土流動性降低和排土困難，通常在實際施工中盾構機土艙總是非滿艙掘進，因而總體上表現出 “欠壓狀態”，這能通過土艙內壓力傳感器的變化情況得到驗證。施工中，中下部壓力傳感器的數值隨時發生變化，主要原因是土艙內的土體隨刀盤轉動而運動，由于顆粒的擠壓作用不斷變化，所以其壓力傳感器數值隨時變化。而上部的壓力傳感器數值基本穩定不變，壓力值反映的為氣壓值，因而該壓力傳感器處無渣土，這就驗證了盾構施工為非滿艙掘進。

在盾構掘進過程中，經過改良的渣土具有減小摩擦、降低扭矩、抗滲和保壓的作用。但由于重力作用，注入刀盤的泥漿和泡沫沿重力作用向下流淌，且盾構施工為非滿艙掘進，泥漿對開挖面上部土體的抗滲透作用和潤滑作用很小。因而，盾構施工對開挖面上部擾動大，氣體壓力對保證開挖面上部的穩定作用也有所減小。

上述分析表明，盾構施工基本是非滿艙狀態掘進，這也是導致開挖面超出土的重要原因。砂卵石地層受壓時強度高、變形小；而粘聚力低，不能承受拉應力和拉應變。當土艙上部無土時，開挖面前上方的土體顆粒由于重力作用產生向下運動，承受向下的拉應力和拉應變；因此，當非滿艙掘進時，開挖面上部的土體容易坍塌脫落，進而涌入土艙。這是開挖面上方容易形成空洞的主要力學原因。

因此，開挖面上部土體的穩定性控制是施工中的薄弱環節，開挖面土體失穩后，容易在開挖面上部形成空洞。這和實際調查情況相符合。

當盾構因超出土而形成土層內部空洞后。主要有以下原因可導致地層內部空洞不能被注漿回填：注漿量不足；漿液向地層滲透和流失；空洞形成后離同步注漿有較長的時間間隔，通常至少在15h后，在此時間段空洞已向上坍塌移動至上部地層處。

2.3 空洞上移引發突發地面塌陷

通過上述分析可以看出，盾構施工產生的空洞主要集中在開挖面上部。由于砂卵石具有一定的成拱作用，因而在盾構上部形成相對穩定的空洞。由于地下水位變化、地面荷載影響和土體強度逐漸減弱等作用，空洞頂部土體不斷脫落下墜，空洞逐漸向上移動并發展到地表，最終造成盾構掘進后的滯后突發地面塌陷。

3 盾構掘進滯后塌陷機理的數值計算

成都砂卵石土具有粘聚力低、離散性強的特點，盾構施工開挖面土體容易產生坍塌和滑落。據此，選用能夠模擬土體顆粒平動、轉動、分離和大變形等力學現象的顆粒離散元法進行數值計算［15－16］。

砂卵石土根據密實程度分為松散砂卵石層、稍密砂卵石層、中密砂卵石層和密實砂卵石層4個亞組，由于盾構埋深普遍在8～20m之間，因此盾構普遍穿越的地層為稍密卵石與密實卵石層之間，其中稍密砂卵石的穩定性較差，是盾構施工產生地面塌陷的主要影響土層，因此選擇稍密砂卵石土為研究對象。在實際工程中地層表面會有厚度較小的素填土和雜填土，其對地面塌陷影響很小，因而在數值計算中忽略其作用。

地下水是影響地下工程的重要因素，有時甚至是決定性的。目前，在砂卵石地層中盾構選型主要采用加泥式土壓平衡盾構機，該類盾構在施工過程中需要向土艙內加入膨潤土和泡沫對渣土進行改良，從而提高渣土的止水性和抗滲性，注入土艙內的改良材料具有較好的粘結性，能滲入土體孔隙中，從而進一步實現對掌子面止水和固結作用。此外，盾構施工中普遍采用氣壓輔助工法，當氣壓大于開挖面水壓時，開挖面并無滲水現象，還能將開挖面土體內的水排干，因而此種工況下地下水基本處于靜止狀態，可不考慮水的滲透影響。當盾構掘進形成土層內部空洞后，空洞會逐漸向地面發展，空洞頂部的土體的分離、坍塌及滑落過程中，地下水是處于靜止狀態的。因此，數值計算中按照總應力法計算，而忽略地下水滲流的影響。

3.1 大型三軸試驗及顆粒流細觀參數標定

數值計算中主要考慮穩定性較差的稍密卵石土，應用大型三軸試驗得到偏應力 軸向應變曲線，并使用顆粒離散元法進行三軸數值模擬試驗，從而對稍密卵石土進行細觀參數的標定，數值試驗和室內試驗的偏應力軸向應變曲線對比見圖3。

圖3 數值試驗與室內試驗應力 應變曲線比較

通過大型三軸試驗，稍密卵石土的宏觀力學參數見表1。經過反復調整，綜合考慮內摩擦角、變形模量、泊松比等因素影響，得到一組較為理想的稍密卵石土細觀參數（見表2）。

表1 稍密卵石的宏觀力學參數

表2 離散元的細觀力學參數

3.2 開挖面失穩產生空洞機理的模擬

利用土壓平衡盾構施工，開挖面支護壓力控制是保證掘進順利進行的關鍵，開挖面失穩主要是由于盾構機開挖面支護壓力小于極限支護壓力所引起［17］，開挖面支護壓力小于極限支護壓力也是產生土層內部空洞的主要原因。

3.2.1 數值計算模型 在數值計算中，模型尺寸為30m×22m×15m，管片直徑為6m，開挖直徑為6.28m，埋深為10m，采用81012個顆粒進行模擬，模型如圖4所示。地面為自由面，模型四周采用位移約束條件，管片采用wall單元模擬。

圖4 數值計算模型圖

假設開挖面支護壓力為梯形荷載，取其中心點的支護壓力為代表值，并引入支護壓力比λ和靜止土壓力進行比較［18］：

夜幕低垂，當武成龍和樊虎拿著兩個布套進了柳含煙和白雪的廂房，柳含煙和白雪就明白是怎么回事，因為她們被送來此時頭上也戴著一個布套。白雪驚懼地道：“這里是安和莊對嗎？請允許我見那位身穿寶藍色長衫的書生?！笨吹轿涑升埡头⒛樕E沉她嚇得眼淚都掉下來了。

式中：σs為開挖面中心處的支護壓力，σ0為其對應的水平靜止土壓力。

3.2.2 數值計算結果分析

1）開挖面失穩的確定 盾構施工引起開挖面附近土體應力釋放，從而導致周圍土體發生位移，支護壓力比與開挖面土體最大水平位移關系如圖5所示。

圖5 支護壓力比和最大水平位移的關系

從圖5中可以看出，初始階段，支護壓力比和開挖面最大水平位移成線性變化，這個階段開挖面顆粒位移變化較小，而開挖面支護壓力變化較大。

當λ＝0.2～0.12時，開挖面支護壓力的變化幅度很小，而開挖面周圍土體位移變化幅度很大，表現為開挖面周圍土體的位移對支護壓力變化較敏感。

當λ＜0.12時，在支護壓力不變的情況下，開挖面的土體位移不斷加大。在這個階段，開挖面土體發生失穩滑動，開挖面顆粒進入崩塌滑落狀態。

2）支護壓力對開挖面變形的影響 不同支護壓力比對應的開挖面橫向剖面變形見圖6；從圖中可以看出，隨著支護壓力比減小，開挖面擾動土體范圍不斷加大，在重力方向擾動土體范圍擴大趨勢尤其顯著。當開挖面失穩后，開挖面失穩表現為艙筒形狀，數值模擬結果與 Chambon等［19］、Kamata等［20］和Kirsch［21］對干砂進行的離心模型試驗結果相符。

圖6 不同支護壓力比的開挖面橫向剖面變形圖

3）開挖面失穩區域分析 為了更好觀察顆粒位移和土顆粒接觸力的關系，對2種圖形進行疊加，圖7為位移接觸力疊加縱向剖面圖。從該圖中可以看出，當λ＝0.5～0.2時，開挖面的接觸力變化不大；當λ＝0.2～0.15時，開挖面前方擾動區域加大趨勢明顯，并向上方逐漸延伸；當λ＝0.12時，此時開挖面已經失穩，位移大于0.1m的區域，顆粒間的接觸力極低，該區域的土體孔隙率上升、密度下降、力學性質也大大降低，因而可以判定該區域是開挖面失穩區。

開挖面失穩后土方超挖、形成空洞已經不可避免，超挖的范圍為盾構上方2～3m范圍，在這種情況下如不及時增加支護壓力，盾構掘進過后將在盾構上方出現較大空洞。

4）土拱作用分析 從圖7中可以看出，位移為0.05～0.1m之間的土體接觸力較小，是接觸力變化區域。開挖面上方位移小于0.05m范圍內的土體，由于重力作用向下移動，顆粒之間相互擠壓和摩擦，形成有一定承載能力的土拱。在土拱支護作用下，即使開挖面失穩形成土層內部空洞，也不會立刻引起地面塌陷，這是引發滯后地面塌陷的重要原因。

3.3 空洞上移引起地面塌陷的數值模擬

當盾構開挖面失穩形成土層內部空洞后，空洞周圍土體不斷脫落下墜，空洞逐漸向上移動并發展到地表，從而造成盾構掘進后的滯后突發地面塌陷，筆者利用顆粒離散元法模擬空洞坍塌變形和發展過程。

顆粒離散元法以單個顆粒為基本單元，對每個顆粒建立運動方程，應用力位移定律和牛頓第二定律，利用差分法求解一個微小時段的速度和位移，并對時域進行積分，由此計算出顆粒間分離和大變形等問題［22－23］。在計算中，雖然計算步不是真實時間，但可以表明力位移的變化規律，因此，可以通過不同計算步來觀察滯后塌陷的整個過程。

3.3.1 數值計算模型 模型尺寸為30m×22m×3m，管片直徑為6m，開挖直徑為6.28m，埋深為10m，按照超挖25m3／環的情況模擬空洞，每環長度為1.5m，根據成都砂卵石地層盾構掘進經驗，空洞主要集中在盾構頂部，并呈中間高度大并向兩端逐漸減小的趨勢分布，模型采用34016個顆粒進行數值分析，顆粒的細觀參數見表2。

3.3.2 滯后塌陷地層變形分析 盾構上方空洞附近土體位移變化情況和坍塌破壞過程見圖8。

在空洞形成初期，空洞上方的土體緩慢向洞內移動，與臨空洞面距離越遠，土體位移逐漸遞減。由于自重作用，洞內臨空面的顆粒位移不斷加大，當顆粒之間的重力大于相互間的摩擦力，顆粒逐漸向空洞內掉落。向洞內掉落的顆粒堆積在空洞的底部，經過應力調整重新達到平衡狀態；掉落的顆粒能夠給空洞的側面顆粒提供一定的側向壓力，從而使空洞側面的顆粒也達到平衡狀態。與此往復，空洞就像一個移動的不規則的水泡由地層深處逐漸移動至地層表面，最終引起地面塌陷。

原狀地層比較密實，而掉落底部堆積后的土體比較松散，因此隨著空洞向地表移動，空洞體積有所減小。數值計算的這種現象和礦山開采的冒落巖塊碎脹充填論［5］的結論是一致的。冒落巖塊碎脹充填論認為開采空間引起覆巖冒落，冒落巖體破碎后孔隙度加大，膨脹起來充填采空區，從而限制了冒落的發展，使之趨于穩定。這也是超出土量比較少，空洞只能擾動地層而不能發展到地面的原因。

3.3.3 滯后塌陷土體接觸力演變分析 空洞向地面移動的過程，地層的應力狀態也發生了較大變化。顆粒離散元主要用法向接觸力和切向接觸力描述地層內顆粒的受力狀況，法向接觸力是由于顆粒之間的相互擠壓而引起，切向接觸力是由于顆粒之間的相互摩擦而產生。因此主要從法向接觸力線圖和切向接觸力線圖來闡述土體應力變化過程。

1）切向接觸力的演變 圖9是空洞上移過程的切向接觸力線圖，通過該圖可以清楚的看出，隨著土體向洞內塌落，洞內臨空面上方形成一定的松散帶；而空洞外側一定范圍的土體向洞內擠入，加大了顆粒之間的相互運動的趨勢，因而切向接觸力明顯加大，并呈現拱狀，表現出一定的土拱效應。

隨著空洞內上方的土體不斷掉入空洞底部，空洞不斷上移；當空洞上移一定的距離以后，土拱效應逐漸消失，從而引起地面突發塌陷。

2）法向接觸力的演變 圖10是空洞上移過程的法向接觸力線圖。土拱是用來描述應力轉移的一種現象，這種應力轉移是通過土體抗剪強度的發揮而實現的［24］。通過對比切向接觸力線圖和法向接觸力線圖可以看出，空洞周圍土體的切向力增大趨勢明顯，土體顆粒之間通過相互摩擦提高了承載力，從而起到了土拱的作用；而法向力變化相對較小。然而，顆粒之間的法向接觸力在土拱圈附近呈明顯方向性，法向接觸力和拱圈的切線方向基本一致，這也是土拱作用的體現。

4 結 語

1）砂卵石地層盾構施工滯后地面塌陷的機理主要包括：盾構開挖面失穩、開挖面失穩超出土形成空洞和空洞向地表移動3個方面。

圖9 切向接觸力線圖演變過程

2）盾構欠壓掘進時，開挖面土體松動現象明顯，開挖面前方的松動區形狀基本為楔形體，開挖面上方滑動區域的形狀基本符合三維艙筒理論滑動面假設。

3）隨著支護壓力比減小，開挖面前方受擾動區域變大，支護壓力比減小到0.12時，開挖面前方土層位移為0.1m以上的顆粒之間接觸力很低，該區域土體發生失穩滑動，開挖面顆粒進入崩塌滑落狀態，將形成一定范圍的空洞。

4）滯后塌陷的顆粒接觸線力演變過程表明，隨著空洞的向地表移動，空洞上方的成拱效應較為明顯。

圖10 法向接觸力線圖演變過程

5）由于土拱作用的存在，盾構雖然超挖形成空洞，但并不會立即反應到地面。隨著時間的推移和土體強度的弱化效應，空洞會逐漸反應到地面。

6）原狀地層比較密實，而掉落空洞底部堆積后的土體比較松散，因此隨著空洞向地表移動，空洞的體積有所減??；這也是超出土量比較少時，空洞只能擾動地層而不能發展到地面的原因。

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